固体电介质的电导.pptx

3.2 固体电介质的电导 任何电介质都不可能是理想的绝缘体，它们内部总是或多或少地具有一些带电粒子（载流子），例如可以迁移的正、负离子以及电子、空穴和带电的分子团。在外电场的作用下，某些联系较弱的载流子会产生定向漂移而形成传导电流（电导电流或泄漏电流）。表征电介质导电性能的主要物理量即为电导率 或其倒数电阻率。3.2.1 固体电介质的离子电导3.2.2 固体电介质的电子电导3.2.3 固体电介质的表面电导 固体电介质的电导按导电载流子种类可分为离子电导和电子电导两种，前者以离子为载流子，而后者以自由电子为载流子。在弱电场中，主要是离子电导返回3.2.1 固体电介质的离子电导 固体电介质按其结构可分为晶体和非晶体两大类。对于晶体，特别是离子晶体的离子电导机理研究得比较多，现已比较清楚。然而在绝缘技术中使用极其广泛的高分子非晶体材料，其电导机理尚未完全搞清楚。1.晶体无机电介质的离子电导本征离子电导弱束缚离子电导晶体介质的离子来源有两种：2.非晶体无机电介质的离子电导 无机玻璃是一种典型的非晶体无机电介质，它的微观结构是由共价键相结合的 或 组成主结构网，其中含有离子键结合的金属离子。玻璃结构中的金属离子一般是一价碱金属离子（如 等）和二价碱土金属离子（如 等）。这些金属离子是玻璃导电载流子的主要来源，因此玻璃的电导率与其组成成分及含量密切相关。3.有机电介质中的离子电导 非极性有机介质中不存在本征离子，导电载流子来源于杂质。通常纯净的非极性有机介质的电导率极低，如聚苯乙烯在室温下 。在工程上，为了改善这类介质的力学、物理和老化性能，往往要引入极性的增塑剂、填料、抗氧化剂、抗电场老化稳定剂等添加物，这类添加物的引入将造成有机材料电导率的增加。返回返回3.2.2 固体电介质的电子电导 固体电介质在强电场下，主要是电子电导，这在禁带宽度较小的介质和薄层介质中更为明显。电介质中导电电子的来源包括来自电极和介质体内的热电子发射，场致冷发射及碰撞电离，而其导电机制则有自由电子气模型、能带模型和电子跳跃模型等。1.晶体电介质的电子电导 根据晶体结构的能带模型，离子晶体和分子晶体中的电子多处于价带之中，只有极少量的电子由于热激发作用跃迁到导带，成为参与导电的载流子，并在价带中出现空穴载流子。导带上的电子数和价带上的空穴数主要取决于温度和晶体的禁带宽度 及费米能级 。一般取下式来估计具有不同禁带宽度 的晶体材料在不同温度下的电子和空穴本征浓度。(3-17)晶体电子电导电流密度：电介质晶体本征电子浓度极低，因此本征电子导电可以忽略，电子电导只能在强光激发或强场电离以及电极效应引入大量电子时才能明显存在。而半导体的本征电导却很明显不可忽略，然而实用的半导体材料亦多为掺杂半导体，它们的电导主要由杂质或电极注入等因素所决定。(3-18)2.电介质中的电子跳跃电导图3-5 不规则结晶系的能带结构和电子跃迁模型(a)电子电位图 (b)能带图 (c)无电场时势图 (d)有电场时势能图 常用的绝缘高分子介质材料多由非晶体或非晶体与晶体相共存所构成。图3-5 不规则结晶系的能带结构和电子跃迁模型(a)电子电位图 (b)能带图 (c)无电场时势图 (d)有电场时势能图 由原子周期性排列所形成能带仅能在各个局部区域中存在，在不规则的原子分布区能带间断，在具有非晶态结构的区域电子不能像在晶体导带中那样自由运动，电子从一个小晶区的导带迁移到相邻小晶区的导带要克服一势垒（见图3-5）。图3-5 不规则结晶系的能带结构和电子跃迁模型(a)电子电位图 (b)能带图 (c)无电场时势图 (d)有电场时势能图 此时电子的迁移可通过热电子跃迁或隧道效应通过势垒。在电场强度不十分强（V/m）的情况下，隧道效应不明显，主要是局部能带的导带上电子在热振动的作用下，跃过势垒相邻的微晶带跃迁而形成电子跳跃电导。3.热电子发射电流 金属电极中具有大量的自由电子，但由于金属表面的影响，在电子离开金属时必须克服一势垒 （相对于金属中的费米能级）。金属中的电子能量大多处于费米能级以下，只有少部分电子由于热的作用具有较高的能量，当其能量 超过 时，才可能超过势垒 脱离金属向介质或真空中发射，并引起发射电流。显然，此发射电流与温度有关，它随着温度的升高而增加，故称为热电子发射电流。从金属向介质（真空相同）内发射电子时，由于两者界面处有电位势垒存在，电流受到限制。在没有电场作用时，由热能而使电子从金属发射的热电子电流密度，由理查森杜什曼（Richardson-Dushman）式知式中其中m 电子质量；金属的功函数；沿x轴方向逸出金属的电子在x方向所应具有的最低能量。(3-19)当外施电场E时，电场将使电子逸出金属的势垒降低，电子容易发射，这一现象就是如图3-6所示的肖特基（Schottky）效应。图3-6 肖特基效应势垒图 当电子从金属电极发射时，如图36右下角附图所示的金属表面感应正电荷，这时，电子受到感应正电荷的作用力F（x），可以看成是以金属为对称面，电子与其对称位置的等量正电荷之间的静电引力（镜像法），从而可得热电子发射电流密度与外电场E的关系式为因此，肖特基效应电流密度对数lnj与 是线性关系.(3-20)4.场致发射电流 在强电场下，当电子能量低于势垒高度不很大，而势垒厚度又很薄时，电子就可能由于量子隧道效应穿过势垒。以宽度为，高度为 的势垒组成一维矩形势场的模型如图3-7所示（在 时，；在 时，）。图3-7 一维矩形势垒模型 粒子要由区域I越过势垒II到达区域III，所需的能量必须大于势垒的高度（即 ），但对于电子等微观粒子，情况就不同了。对于具有能量 的微观粒子，粒子可以由区域I穿过势垒II到达区域III中，并且粒子穿过势垒后，能量并没有减少，仍然保持在区域I时的能量，这种现象通常形象化地称为隧道效应。图3-8 隧道效应(a)电子波函数的变化 (b)肖特基效应产生的势垒变化 如图3-8a)所示，电子的波函数在II区间发生了衰减，但是通过势垒后进入III区间内的粒子能量等于原来的能量。如果在金属和介质的界面上加上强电场，如图3-8b)所示，由于肖特基效应使势垒高度降到 ，同时从费米能级到相同势能的导带的宽度（x0）变小，于是产生隧道现象。图3-8 隧道效应(a)电子波函数的变化 (b)肖特基效应产生的势垒变化5.空间电荷限制电流 在强电场下介质往往具有电子性电导电流，此时电子电流是电子从电极向介质中注入形成电极注入电流 和电介质体内的电子电流 连续而成。在稳态情况下应有 如 ，则在介质中将有电荷积聚而出现空间电荷。如 ，在阴极前形成正的空间电荷，它将加强阴极处的电场强度，增加阴极的注入电流，直至Ic升高到 。反之，如 ，在阴极前形成负的空间电荷，即积聚与电极同极性电荷。它一方面削弱阴极表面的电场，使Ic降低；同时，由于在介质中电子空间电荷的存在，引起空间电荷限制电流Is，直到 ，电子电导电流达到平衡。如忽略介质本身的电子电流 与电介质中陷阱中心对电子的捕获空间，注入介质中的电子与真空管中的电子相似，此空间电荷所引起的电流包括漂移电流和扩散电流两部分。此时空间电荷限制电流密度可写成 式中，n空间电荷的体积浓度；De电子的扩散系数。(3-21)返回返回3.2.3 固体电介质的表面电导 通过固体介质的表面还有一种表面电导电流Is。此电流与固体介质上所加电压U成正比，即 式中，Gs固体介质的表面电导，单位为S。(3-22)如固体介质表面上加以两平行的平板电极，板间距离为d，电极长度为l（图3-9），则Gs与l成正比，与d成反比，可以写成 介质的表面电导率，它与介质电导具有相同的单位，亦为S。图3-9 表面电导计算图(3-23)此时亦可写成表面电流密度形式式中，js表面电流密度，单位为A/m。表面电导亦可用表面电阻Rs和表面电阻率 来表示，它们与 有以下关系，即(3-24)(3-26)(3-25)1.电介质表面吸附的水膜对表面电导率的影响 介质的表面电导受环境湿度的影响极大。任何介质处于干燥的情况下，介质的表面电导率 很小，但一些介质处于潮湿环境中受潮以后，往往 有明显的上升（或 下降）（见图3-10）。可以假定，由于湿空气中的水分子被吸附于介质的表面，形成一层很薄的水膜。因为水本身为半导体（m），所以介质表面的水膜将引起较大的表面电流，使 增加。图3-10 几种电介质表面电阻率与空气相对湿度的关系1石蜡；2琥珀；3虫胶；4陶瓷上珐琅层2.电介质的分子结构对表面电导率的影响 电介质按水在介质表面分布状态的不同，可分为:u亲水电介质u疏水电介质图3-11 水滴在两类介质上的分布状态(a)亲水介质 (b)疏水介质 亲水介质包括离子晶体、含碱金属的玻璃以及极性分子所构成的介质等，它们对水分子有强烈的吸引作用。由于这类介质分子具有很强的极性，对水分子的吸引力超过了水分子之间的内聚力，因而水滴在介质表面上形成的接触角常小于（图3-11a）。图3-11 水滴在两类介质上的分布状态(a)亲水介质 (b)疏水介质 一般非极性介质为非极性分子所组成，它们对水的吸引力小于水分子的内聚力，所以吸附在这类介质表面的水往往成为孤立的水滴，其接触角 ，不能形成连续的水膜（图3-11b），所以 很小，且大气湿度的影响较小。3.电介质表面清洁度对表面电导率的影响 介质表面电导率 除受介质结构、环境湿度的强烈影响外，介质表面的清洁度亦对 影响很大。表面沾污特别是含有电解质的沾污，将会引起介质表面导电水膜的电阻率下降，从而使 升高。要使介质表面电导低，应该采用疏水介质，并使介质表面保持干净。返回返回（本节完）小 结固体电介质的电导分为三类：离子电导电子电导表面电导 离子电导和电子电导是一种体积电流，而表面电导是一种面电流